首页 > 编程笔记 > C语言笔记

数组的存储，C语言数组的存储实质详解

在程序设计中，为了便于程序处理，通常把具有相同类型的若干变量按有序的形式组织在一起，这些按序排列的同类数据元素的集合称为数组。其中，集合中的每一个元素都相当于一个与数组同类型的变量；集合中的每一个元素用同一个名字和它在集合中的序号（下标）来区分引用。来看下面一个数组定义：
int a[5];
如图 1 所示，当定义一个数组a时，编译器根据指定的元素个数和元素的类型分配确定大小（元素类型大小×元素个数）的一块内存，并把这块内存的名字命名为 a，名字 a 一旦与这块内存匹配就不能再改变。其中，a[0]、a[1]、a[2]、a[3] 与 a[4] 都为 a 的元素，但并非元素的名字（数组的每一个元素都是没有名字的）。


图 1 int[5]的存储结构

在 32 位系统中，由于 int 类型的数据占 4 字节单元，因此该数组 a 在内存中共占据连续的 4×5=20 字节单元，依次保存 a[0]、a[1]、a[2]、a[3] 与 a[4] 共 5 个元素。如果这里假设元素 a[0] 的地址是 10000，则元素 a[1] 的地址是 10000+1×4=10004; 元素 a[2] 的地址是 10000+2×4=10008; 元素 a[3] 的地址是 10000+3×4=10012; 元素 a[4] 的地址是 10000+4×4=10016。

由此可见，数组的存储具有如下特点：
为了让大家更加清楚地看到数组的存储结构，继续看下面的示例代码：
int a[5];
printf("sizeof(a):%d\n",sizeof(a));
printf("sizeof(a[0]):%d\n",sizeof(a[0]));
printf("sizeof(a[5]):%d\n",sizeof(a[5]));
printf("sizeof(&a):%d\n",sizeof(&a));
printf("sizeof(&a[0]):%d\n",sizeof(&a[0]));
printf("-----------------------------------\n");
printf("&a:%d\n",&a);
printf("&a[0]:%d\n",&a[0]);
printf("&a[1]:%d\n",&a[1]);
printf("&a[2]:%d\n",&a[2]);
printf("&a[3]:%d\n",&a[3]);
printf("&a[4]:%d\n",&a[4]);
对于上面的示例代码，在 32 位系统中：
这里需要说明的是，因为 sizeof 是关键字，而不是函数（函数求值是在运行的时候，而关键字 sizeof 求值是在编译的时候），因此，虽然并不存在 a[5] 这个元素，但是这里也并没有真正访问 a[5]，而是仅仅根据数组元素的类型来确定其值。所以这里使用 a[5] 并不会出错，sizeof(a[5]) 的结果为 4。

对于 &a[0]，它表示取数组首元素 a[0] 的首地址；而对于 &a，表示取数组 a 的首地址。因此，&a[0] 的值与 &a 的值相同，sizeof(&a[0]) 与 sizeof(&a) 在 32 位系统下的结果都为 4。

因此，运行上面的示例代码，运行结果为：
sizeof(a):20
sizeof(a[0]):4
sizeof(a[5]):4
sizeof(&a):4
sizeof(&a[0]):4
-----------------------------------
&a:6356732
&a[0]:6356732
&a[1]:6356736
&a[2]:6356740
&a[3]:6356744
&a[4]:6356748

到现在为止，相信大家已经基本了解了一维数组的存储结构。或许这个时候你会问，那么二维数组及多维数组又是怎样存储的呢？其实，其原理与一维数组一样。下面，我们来定义一个 5 行 4 列的二维数组 a：
int a[5][4];
对于二维数组，它在逻辑上是由行和列组成的。因此，我们可以将上面的二维数组 a 分为三层来理解，如图 2 所示。


图 2

在图 2 中：
在第一层，将数组 a 看作一个变量，该变量的地址为 &a，长度为 sizeof(a)。因为数组的长度为元素数量乘以每个元素类型的大小，这里的二维数组 a 为 5 行 4 列共 20 个元素，每个元素占用 4 字节，所以变量 a 占用 80 字节。

在第二层，将数组 a 看作一个一维数组，由 a[0]、a[1]、a[2]、a[3] 与 a[4] 等 5 个元素组成。数组的首地址为 a 或 &a[0]（即数组首地址和第一个元素的地址相同，而每个数组元素的地址相差为 16，表示每个数组元素的长度为 16），使用 sizeof(a[0]) 可得到数组元素的长度。

在第三层，将第二层中的每个数组元素看作一个单独的数组。第二层中的每一个元素又由 4 个元素构成，如 a[0] 又由 a[0][0]、a[0][1]、a[0][2] 与 a[0][3] 等 4 个元素组成。

结合上面的分析来看下面的示例代码：
int main(void)
{
    int a[5][4];
    int i=0;
    int j=0;
    printf("sizeof(a):%d\n",sizeof(a));
    printf("sizeof(a[0]):%d\n",sizeof(a[0]));
    printf("sizeof(a[0][0]):%d\n",sizeof(a[0][0]));
    printf("-----------------------------------\n");
    printf("sizeof(&a):%d\n",sizeof(&a));
    printf("sizeof(&a[0]):%d\n",sizeof(&a[0]));
    printf("sizeof(&a[0][0]):%d\n",sizeof(&a[0][0]));
    printf("-----------------------------------\n");
    printf("&a:%d\n",&a);
    printf("&a[0]:%d\n",&a[0]);
    printf("&a[0][0]:%d\n",&a[0][0]);
    printf("-----------------------------------\n");
    for(i=0;i<5;i++)
    {
        printf("&a[%d]:%d\n",i,&a[i]);
        for(j=0;j<4;j++)
        {
            printf("&a[%d][%d]:%d\n",i,j,&a[i][j]);
        }
    }
    return 0;
}
在上面的示例代码中，由于数组名代表的是数组首元素的首地址，因此下面的三行代码的输出结果都是相同的：
printf("&a：%d\n",&a);
printf("&a[0]:%d\n",&a[0]);
printf("&a[0][0]:%d\n",&a[0][0]);
同时，当将 a[0] 作为一个数组名称时，该数组的首地址也就保存在 a[0] 中（这里 a[0] 作为一个整体看作数组名，而不是一个数组的元素）。因此，不用取地址运算符 &，直接输出 a[0] 的值也可得到数组的首地址，即下面的两行代码输出的结果是等价的：
printf("&a[0]:%d\n",&a[0]);
printf("&a[0]:%d\n",a[0]);
运行上面的示例代码，运行结果为：
sizeof(a):80
sizeof(a[0]):16
sizeof(a[0][0]):4
-----------------------------------
sizeof(&a):4
sizeof(&a[0]):4
sizeof(&a[0][0]):4
-----------------------------------
&a:6356664
&a[0]:6356664
&a[0][0]:6356664
-----------------------------------
&a[0]:6356664
&a[0][0]:6356664
&a[0][1]:6356668
&a[0][2]:6356672
&a[0][3]:6356676
&a[1]:6356680
&a[1][0]:6356680
&a[1][1]:6356684
&a[1][2]:6356688
&a[1][3]:6356692
&a[2]:6356696
&a[2][0]:6356696
&a[2][1]:6356700
&a[2][2]:6356704
&a[2][3]:6356708
&a[3]:6356712
&a[3][0]:6356712
&a[3][1]:6356716
&a[3][2]:6356720
&a[3][3]:6356724
&a[4]:6356728
&a[4][0]:6356728
&a[4][1]:6356732
&a[4][2]:6356736
&a[4][3]:6356740

理解 &a[0] 和 &a 的区别

在对上面的数组示例分析的过程中，可以发现 &a[0] 和 &a 的值是相同的。但是要注意，尽管它们的结果相同，但其所表达的意义却完全不相同，这一点一定要注意。

因为数组名包含数组的首地址（即数组第一个元素的地址），或者说数组名指向数组的首地址（或第一个元素），所以，对于 &a，表示取数组 a 的首地址；而对于 &a[0]，它表示取数组首元素 a[0] 的首地址。这就好像陕西的省政府在西安，而西安的市政府同样也在西安。虽然两个政府机构都在西安，但其代表的意义完全不同。

理解数组名 a 作为右值和左值的区别

当数组名 a 作为右值的时候，其意义与 &a[0] 是一样的，代表的是数组首元素的首地址（注意，不是数组的首地址，这一点一定要区分开）。但是，这仅仅只是代表，编译器并没有为其分配一块内存空间来存放其地址，这一点就与指针有很大的差别。

同理，当数组名 a 作为左值的时候，代表的同样是数组的首元素的首地址。但是，这个地址开始的一块内存是一个总体（即数组一旦定义就会被分配一片连续的存储空间）。因此，我们只能访问数组的某个元素，而无法把数组当一个总体进行访问。也就是说我们可以将 a[0] 作为左值，而无法将 a 作为左值。

相关文章